連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器1背景

激光技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于科技、經(jīng)濟、軍事和和社會發(fā)展的許多領(lǐng)域。在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用中高功率、高穩(wěn)定性以及高光束質(zhì)量一直是人們追求的目標(biāo)。激光放大技術(shù)在提供高能量激光輸出的同時，還能保證優(yōu)良的光束質(zhì)量，因此激光放大技術(shù)成為國內(nèi)外研究的熱點。實現(xiàn)激光放大技術(shù)的器件稱之為光放大器。光放大器首先在光通信系統(tǒng)中充分顯示了直接對光進行放大的優(yōu)勢；在其他應(yīng)用方面：諸如工業(yè)加工、光纖傳感、科研軍事等等，同樣也始終起著舉足輕重的作用。

在光放大器高速發(fā)展進程中，光纖放大器以其損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)靈活、散熱性能好等優(yōu)點而備受青睞。它是采用摻雜光纖作為放大器增益介質(zhì)的一種特殊的激光系統(tǒng)，纖芯一般摻雜特定的稀土離子，泵浦光被限制在光纖內(nèi)傳播，對摻雜稀土離子進行泵浦，稀土離子受激躍遷，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而獲得光增益。換而言之，就是被激發(fā)的稀土離子放大入射信號，從而將泵浦光的功率轉(zhuǎn)換為跟信號光同頻同相的光輸出信號。

但是普通的單包層光纖放大器的泵浦光與激射激光同處于摻雜纖芯內(nèi)，由于單模光纖纖芯的尺寸一般在 5～9μm，高功率泵浦光很難被耦合進去，常規(guī)單模單包層光纖放大器的輸出功率被限制在幾十毫瓦量級。因此，在很長一段時間，光纖放大器只能被作為弱光光源來使用。直到 20 世紀(jì) 80 年代后期，美國麻省 提出了包層泵浦技術(shù)，為高功率泵浦提供了新的思路。雙包層光纖獨特的包層結(jié)構(gòu)可以使高功率的多模激光耦合進光纖，對纖芯進行泵浦，從而可以得到高功率的激光輸出，成為光纖器件領(lǐng)域的研究熱點之一。甚至最近出現(xiàn)的光子晶體光纖激光/放大器也采用了包層泵浦技術(shù)。

高功率脈沖激光在應(yīng)用中獨具特色。因此幾乎在同一階段，高峰值功率/平均功率的脈沖激光放大已成為人們研究的熱點。并且將包層泵浦放大技術(shù)廣泛應(yīng)用于脈沖激光放大器中。

光放大器可以想象成為一個具有低反饋機制的激光器。它同樣也需要增益介質(zhì)和外功率源（泵浦源）來提供放大所需的能量。與激光器所不同的是，光放大器還需要信號源。我們可以用一個簡單的結(jié)構(gòu)圖來表示光放大器的基本形式。

按照不同的分類方法，光放大器可以進行如下分類：

一、 按照增益介質(zhì)的不同，可以分成半導(dǎo)體光放大器和摻稀土光纖放大器。

半導(dǎo)體光放大器是現(xiàn)代光放大器中最早出現(xiàn)的光放大器。它的工作原理是基于激光半導(dǎo)體介質(zhì)固有的受激輻射光放大機制。其優(yōu)點是尺寸小、造價低、頻帶寬、增益高；但缺點是與光纖耦合時損耗太大、易受環(huán)境溫度的影響、工作穩(wěn)定性差。由于半導(dǎo)體光放大器在實現(xiàn)光與電集成方面具有優(yōu)勢，因此它更多的是被應(yīng)用于高速通信網(wǎng)中光開關(guān)、光復(fù)用/解復(fù)用和波長變換器等光信號處理模塊。

在各種摻稀土光纖放大器中，摻鉺光纖放大器（EDFA）優(yōu)先得到發(fā)展。EDFA 工作在通信波段，輸出僅為 mW 量級的功率，不能滿足人們對高功率激光的需求。在稀土元素中，由于 Yb

3 離子具有簡單的能級結(jié)構(gòu)（只包含兩個多重態(tài)展開的能級2F5/2和2F7/2）和大的能級間隔（約 10000cm-1）使摻 Yb3 光纖激光器及放大器具有很高的轉(zhuǎn)換效率。因此，為獲得高功率的激光輸出，摻 Yb3 光纖就成為了激光放大器的首選增益介質(zhì)。

二、按照時間特性可以分為連續(xù)光放大器、脈沖放大器及超短脈沖放大器。

這種按時間特性分類是相對于激光工作物質(zhì)中因各種物理因素引起的馳豫過程及時間而言的。一方面，由于激光工作物質(zhì)的輻射躍遷使得粒子在能級上具有有限的壽命，因此導(dǎo)致了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長與衰減需要一定的馳豫時間，它被稱之為縱向馳豫時間，表示為 T1。另一方面，由于工作物質(zhì)粒子間或粒子與管壁間的碰撞以及晶格振動的作用，對電磁場引起的宏觀感應(yīng)電極化具有消相過程，在消相過程和外加電磁場共同作用下，工作物質(zhì)中部分原子的電偶極矩逐漸有序化，因而產(chǎn)生宏觀感應(yīng)電極化強度。但是當(dāng)電磁場停止作用后，由于消相作用，宏觀感應(yīng)電極化逐漸消失，相對于電磁場有一個滯后時間，稱之為橫向馳豫時間，表示為 T2。 當(dāng)放大器的輸入信號是連續(xù)波或非調(diào) Q 激光脈沖時，一般滿足條件光脈沖脈寬τ0>T1。此時由于光信號與工作物質(zhì)相互作用時間足夠長，因受激輻射而消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)來得及由泵浦抽運所補充，因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度可以到達穩(wěn)態(tài)數(shù)值而不隨時間變化，可以用穩(wěn)態(tài)方法研究放大過程。這類放大器稱為連續(xù)放大器。

當(dāng)輸入信號脈寬滿足條件T2<<τ0 T2的條件，因此可以不考慮粒子與光波場相互作用的橫向馳豫時間 T2，在這種情況下，我們才能忽略粒子和光場相互作用的相位關(guān)系，速率方程才能適用。當(dāng)輸入信號的脈寬τ0為 10~10s 的超短脈沖時，τ0和 T2可以比擬，稱為超短脈沖激光放大器，速率方程理論不再適用，而需用半經(jīng)典理論處理。

如果輸入光信號為高重復(fù)率脈沖序列，并且脈沖周期 T<

工作在 1550nm 窗口的摻鉺光纖放大器（EDFA）在光通信系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，但是利用普通單模摻鉺光纖研制的 EDFA，輸出功率通常在數(shù)十 mW 量級。在高功率激光應(yīng)用領(lǐng)域，無法滿足人們的需求。而摻鐿光纖放大器（YDFA）能提供 100nm 量級的增益帶寬（970nm~1200nm）和更高的轉(zhuǎn)換效率，所以 YDFA 在紅外波段高功率輸出中獨占優(yōu)勢。同時這種寬帶增益特性能夠被利用于超短脈沖放大；又因 Yb3 粒子的強飽和效應(yīng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的脈沖能量輸出。單脈沖能量達數(shù) mJ 的 YDFA 已有報道。 基于 YDFA 有較寬的吸收譜(800~1064nm)，可以有多種抽運源，并且在970nm~1200nm 范圍內(nèi)有連續(xù)熒光發(fā)射，對在 1000nm 左右波段的信號具有優(yōu)越的放大效果，本文重點進行了 1064nm 波段脈沖放大的實驗研究。

連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器3連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器

雙包層摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)為了克服單模單包層摻鐿光纖對輸出功率的限制， Maurer 在 1974 年首先提出了雙包層光纖的概念。直到 1988 年 Polariod 提出了包層泵浦技術(shù)，高功率摻鐿光纖激光器/放大器才得以快速發(fā)展。

包層泵浦技術(shù)的核心是如何最大限度的提高包層中傳輸?shù)谋闷止鈱w芯中鐿離子的泵浦效率。雙包層摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)、內(nèi)包層的形狀、泵浦光耦合方式等是這項技術(shù)的關(guān)鍵所在。，光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護層組成。纖芯中摻雜稀土元素（鐿或其他元素）作為激光介質(zhì)，為保證輸出激光是基橫模，纖芯的尺寸根據(jù)激射波長設(shè)計。內(nèi)包層的折射率低于纖芯的折射率，激射激光被限制在纖芯內(nèi)傳播，而外包層的的折射率又低于內(nèi)包層的折射率，這樣可以將泵浦光限制在內(nèi)包層內(nèi)傳播。為了使內(nèi)包層既起到單模纖芯的低折射率包層的作用，同時又成為傳輸大功率多模泵浦光的通道，關(guān)鍵在于選擇一種低折射率而且物理特性合適的材料做外包層。通常雙包層光纖要求內(nèi)包層具有大的數(shù)值孔徑（NA）和大的幾何尺寸，這對于多模泵浦光的耦合將十分有利。因此，對外包層材料的要求首先是折射率應(yīng)低于內(nèi)包層，另外還要有低彈性模量、寬的抗彎曲溫度范圍。

光纖的最外層為保護層，一般選用涂料的折射率高于外包層的折射率，這樣可以將外包層內(nèi)的傳輸光盡快泄漏掉，以免對光纖造成熱損耗。保護層具有較高的楊氏模量，可以對光纖起到機械保護作用。

在設(shè)計雙包層光纖時，為方便多模的高功率泵光耦合入纖，內(nèi)包層與纖芯的面積比越高越有利，但是這個比值太高會降低器件的效率，一般內(nèi)包層與纖芯的橫截面積比選在 100 左右最佳。泵浦光在內(nèi)包層傳導(dǎo)時，多次穿越纖芯，激發(fā)摻雜的稀土離子發(fā)射激光。

內(nèi)包層的形狀對于雙包層光纖對泵浦光的吸收效率具有非常大的影響。最初的雙包層光纖內(nèi)包層為圓對稱的，它的制作工藝相對簡單，也易于與泵浦 LD 的尾纖相耦合連接，但是圓對稱特性會使內(nèi)包層中大量的泵浦光成為螺旋光，在傳輸?shù)倪^程中不經(jīng)過摻雜纖芯，從而大大降低了對泵浦光的利用效率。為了提高對泵光的利用效率，并考慮到與具體的泵源形式相匹配，人們開發(fā)出了多種內(nèi)包層截面形狀的雙包層光纖，用于雙包層光纖激光器的研制工作。這些經(jīng)過特殊設(shè)計的內(nèi)包層使雙包層光纖激光器對泵浦光的利用效率得到明顯提高。

連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器4連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器的最新進展

盡管光纖激光器/放大器具有良好的散熱性能，但隨著激光輸出功率不斷提高，在纖芯內(nèi)集中激射和較長距離傳輸，又會引起諸多的非線性效應(yīng)。如：SPM（自相位調(diào)制）、SBS（受激布里淵散射）及 SRS（受激拉曼散射）等。尤其在單根光纖的激光器里激光振蕩引起的非線性效應(yīng)閾值較低，極大地限制了激光輸出功率。因此人們又把目光投向了雙包層光纖放大器。對雙包層光纖放大器研究的目的是想通過對一個較低功率的單頻或線偏輸出的種子光進行多路雙包層放大；多路放大后的光束經(jīng)相干組束（CBC）或光譜組束（SBC），從而確保較高激光功率輸出的同時，還能得到具有衍射極限的光束質(zhì)量。

1999 年采用“V”形槽耦合泵浦技術(shù)在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出；放大系統(tǒng)小信號增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術(shù)獲得了單模以及近線偏的 150W 激光輸出。

2005 年利用與 20/400 雙包層大模面積（LMA）摻鐿光纖相匹配的（6 1）×1 合束器實現(xiàn)了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學(xué)郭占城等人利用 Nufern 生產(chǎn)的長度約為 11 m的大模面積（LMA）摻鐿雙包層光纖（其芯徑 20μm ,數(shù)值孔徑為 0. 06 ），將16mW 的種子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號光的優(yōu)良光譜特性。實驗中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨制了約 13°的傾角。 輸出功率的提高使人們不得不考慮對非線性效應(yīng)的抑制。2007 年美國報道了一種特殊的雙包層摻鐿光纖，在該雙包層摻鐿光纖的纖芯中同時摻入 Al2O3和 GeO2，以增大雙包層摻鐿光纖中的 SBS 閾值，從而提高放大輸出的激光功率。這種通過對雙包層光纖的優(yōu)化設(shè)計來提高非線性效應(yīng)閾值的方法，開創(chuàng)了高功率、高光束質(zhì)量的激光器件研究的新局面。緊接著利用這種高 SBS 閾值的 DCYDF 進行高功率、窄線寬雙向泵浦放大，。

2007 年，美國與德國 分別利用了槽密度為 1740/mm 的非傳導(dǎo)性光柵和槽密度為 1250/mm 的衍射光柵實現(xiàn)了三個摻鐿光纖放大器的光譜組束。組合效率分別達到了 93%和 95%。輸出功率分別為 522W 和 153W。表征光束質(zhì)量的 M2因子都為 1.2。保持了單個放大器的光束特性。他們的實驗中略有不同的是后者在單個放大器里增益光纖采用了保偏光子晶體雙包層光纖。正是這種高偏振度確保了組合效率高達 95%。利用光譜組束實現(xiàn)高功率激光輸出為 YDFA 開拓了廣闊的應(yīng)用前景，特別是隨著高非線性 YDF 及其它特殊結(jié)構(gòu) YDF 的研制成功，相信會有更驚人的成果在不久的將來實現(xiàn)。